腔光力学研究光子与宏观机械振子的相互作用, 目前已成为研究量子世界与经典世界之间的过渡以及研究非经典和非线性效应的重要领域。本文首先介绍该领域中的基本物理概念, 包括辐射压力、光机械哈密顿量、海森堡-朗之万方程、方程的线性化等。然后综述近年来一些新奇光力学效应的发现和研究进展, 包括光力诱导透明、非互易光传播、高阶边带产生、光机械纠缠等。最后提出了一些研究展望。

弱测量过程包括三个主要步骤: 初态制备、弱耦合、后选择。这个过程中诸多因素会对耦合参量的评估精度产生影响, 本文工作主要探讨当光束的空间自由度与偏振自由度通过双折射晶体耦合时, 探针初态的参数(坐标分布的平均值和方差)、耦合常数以及后选择角对耦合参量的评估精度的影响。我们具体通过讨论相关参数对待评估耦合参量Fisher信息的影响, 借以分析对耦合参数评估精度的影响。结果表明, 在本方案中, (1)增加探针初态坐标分布的方差和坐标的平均值(中心位置)都可以提高后选择概率, 并增加总Fisher信息; (2)参量越小, 评估精度越高, 但相应的后选择概率越低; (3)在满足弱测量近似条件下, 系统的后选择态与初态越接近正交, 获得的评估精度越高。

针对差影法弹孔目标检测存在过检、漏检、易受噪声干扰和对成像条件要求高等问题，提出了一种基于融合技术的小波变换的弹孔目标检测算法。在小波域中，对低频和高频子图像分别采用不同的融合规则修正弹孔目标的小波变换系数，加大目标的小波变换系数，减小或者置0非目标的小波变换系数，再分别进行模极大法和小波降噪处理，最终经小波逆变换后得到只包含弹孔目标的图像。实验结果表明，该算法用于弹孔目标检测，不仅克服了差影法存在的易受干扰的问题，而且弹孔边缘清晰、连续，提高了弹孔检测的准确性和精确性。

宏观机械系统的量子操控无论是在基础物理学还是在高精度测量和量子信息处理等的应用上都非常重要。其中关键的一步是将机械系统冷却到它的量子基态。本文提出了一个光力系统, 该系统包含了两个光学模式和一个与这两个光学模式都发生相互作用的机械模式。此外, 这两个腔模还分别由两束光驱动。通过对哈密顿量进行变换以及求解系统的海森堡-郎之万方程, 得到了机械振子最终平均声子数的表达式。结合作图发现, 这个系统的特殊结构可以实现在不可分辨边带情况下机械振子的基态冷却, 所以系统对腔的品质因子要求降低, 实验上更容易实现。另外还发现, 通过调节驱动光的功率可使得冷却效果达到最好。

量子密钥分发系统由于能够提供一种物理上安全的密钥分发方式,因此成为量子 信息领域的研究热点,其中如何在现实条件下保证量子密钥分发的无条件安全性是该领域的 一个重要研究课题。从经典保密通信系统中具有完善保密性的一次一密体制出发, 介绍了量子密钥分发系统的应用模型和整体保密通信系统的安全性基础,以及自第一个 协议被提出以来量子密钥分发现实无条件安全性的研究进展,重点介绍了针对现实条件 安全漏洞的各种类型的量子黑客攻击方案、防御方式,以及最近两年被广泛重视的与测量设备 无关的量子密钥分发系统的理论和实验进展。

提出一种新型的基于三粒子3×2×2 维非对称纠缠量子信道可控密集编码方案。控制者(Charlie)对其手中2维粒子进行局域测量控制信 息发送者(Alice)和接收者(Bob)量子态塌缩,调控Alice和Bob量子态纠缠,实现Alice和Bob 3×2 维非对称量子信道纠缠调控。计算了Alice和Bob非对称密集编码平均信息传送量。分析表明, Charlie通过调节测量角θ 的大小可以控制Alice和Bob平均信息传送量。利用三粒子最大纠缠程度的3×2×2 维非对称纠缠量子信道, Charlie可以控制Alice和Bob密集编码传送信息量高于2比特,方案是高效的; 对于非最大纠缠程度的量子信道,传送信息量受到Charlie测量角θ 和三粒子量子态纠缠系数β共同调控。

如何能够不破坏纠缠态且能将其辨认区分出来是量子信息处理过程中一个很重要的问题。 方案首先利用相干光与腔-原子系统的输入-输出过程构造受控相移门,然后利用受控相移门和零差探测 技术构造宇称分析器,最后利用宇称分析器和Hadamard等操作构造非破坏性的原子Bell态分析器和 原子GHZ态分析器。方案的优势在于: 1)利用相干光源和零差探测技术,比以往方案中的单光子 源和单光子探测易实现; 2)构造的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器是非破坏性的。方案用 到的所有方法和技术目前在实验上都是可以实现的。

魔幻态(magic state)是一种单量子比特量子态,在容错量子计算中可以辅助Clifford 操作在任意量子态上横向实现一个non-Clifford门,使得容错量子计算具有通用性。除此之外,魔幻态制备中的噪音可以通过Clifford 操作纯化过滤,这个过程称为魔幻态纯化。具体来讲,魔幻态纯化指的是,当输入噪音量子态相对于魔幻态的保真度大于一个给定的纯化阈值,可通过Clifford 操作从多份噪音量子态中提取出一份保真度被提高的量子态,通过多次重复纯化程序,最终可获得保真度接近于1的魔幻态。本文将研究T型魔幻态纯化程序的重复次数与输入的噪音量子态保真度之间的关系。

提出了一种基于腔辅助相互作用的远距离信息传递的方案。在该方案中，通过让一束相干光和一个囚禁在腔里面的原子进行相互作用，可以使相干光产生一个可控的相位偏移。用这种腔辅助相互作用完成了原子态和光场态之间信息的相互转移。最后我们演示了远距离信息传递方案，该方案在当前实验条件下是可行的，并且在理想条件下，成功的概率几乎为1。

2012年诺贝尔物理学奖授予了法国的Serge Haroche和美国的David J.Wineland,以表彰他们在单粒子(单原子或单离子)操控领域的杰出贡献。他们两人分别参与开创了单粒子操控的两类实验系统,并利用这些实验系统研究了许多有意义的物理效应。简单来说,Haroche的实验系统研究飞行原子与光场的相互作用;Wineland的实验系统研究囚禁离子与光场的相互作用。本文简要介绍Haroche小组的工作。